JP2020066800A

JP2020066800A - 大容量プラズマｃｖｄ処理用プラズマ通路

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Publication number: JP2020066800A
Application number: JP2019122209A
Authority: JP
Inventors: ゴロコーフスキーウラディミール; Gorokhovsky Vladimir; ガネーシュ、カマス; KAMATH Ganesh; アントンブライス; Anton Bryce; ケッタールディー; KOETTER Rudi
Original assignee: Vapor Technologies Inc
Current assignee: Vapor Technologies Inc
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: BR102019022232A2; RU2019133304A; ES2887213T3; PL3644343T3; CN111088472A; CA3047905C; CA3047905A1; JP7357474B2; EP3644343A1; CN111088472B; EP3644343B1; US10900117B2; US20200131621A1

Abstract

【課題】改善された汎用性を有するコーティングシステムの提供。【解決手段】コーティングシステムは、周囲チャンバ壁、頂壁、および底壁を有するコーティングチャンバを含む。周囲チャンバ壁は、チャンバ中心を規定する。プラズマ源は、チャンバ中心に配置されている。コーティングシステムはまた、チャンバ中心から第１の距離でチャンバ中心の周りを回転可能である複数のコーティングすべき基板を保持するサンプルホルダを含む。第１の分離シールドは、チャンバ中心から第２の距離でチャンバ中心の周りに配置され、第１の分離シールドは負に帯電している。【選択図】図１

Description

少なくとも１つの態様では、本発明はアーク蒸着システムおよびそれに関する方法に関する。

物理蒸着（ＰＶＤ）および低圧化学蒸着（ＣＶＤ）源は、コーティングの堆積および表面処理のために使用される。過去２５年間にわたり、陰極アーク蒸着（すなわち、一種の物理的堆積）は、ジルコニウム、チタン、チタニウム、クロム、アルミニウム、銅、およびそれらの合金などの導電性ターゲット材料からの反応ならびに未反応コーティングの堆積のための高電離プラズマの信頼できる供給源として確立されている。アーク蒸発プロセスで生成された高電離プラズマおよび関連する電子ビームはまた、イオンスパッタリング、エッチング、注入、および拡散プロセスなどの表面処理技術において使用される。典型的な陰極アークコーティングプロセスでは、電気アークが陰極ターゲットから材料を蒸発させる。気化した材料は、次に基板上で凝縮してコーティングを形成する。

米国特許第９，４１２，５６９号明細書

陰極アークシステムはうまく機能するが、そのようなシステムは典型的には１つまたは少数の用途に限定される。コーティングシステム、および特にアーク蒸着のための比較的高い資本経費のために、任意の所与のシステムが多くの異なる用途で稼働できることが望まれている。そのような用途には、スパッタリングのみ、陰極アーク蒸着のみ、スパッタリング＋陰極アークの同時などが含まれる。

したがって、改善された汎用性を有するコーティングシステムが必要とされている。

本発明は、少なくとも１つの観点において、１つ以上の分離シールドを含むコーティングシステムを提供することによって従来技術の１つ以上の問題を解決する。コーティングシステムは、周囲チャンバ壁、頂壁、および底壁を有するコーティングチャンバを含む。周囲チャンバ壁は、チャンバ中心を規定する。プラズマ源は、チャンバ中心に配置されている。コーティングシステムは、チャンバ中心から第１の距離でチャンバ中心の周りを回転可能である複数のコーティングすべき基板を保持するサンプルホルダも含む。第１の分離シールドは、チャンバ中心から第２の距離でチャンバ中心の周りに配置され、第１の分離シールドは負に帯電している。

他の一実施形態では、外部磁気コイルを有するコーティングシステムが提供される。コーティングシステムは、周囲チャンバ壁、頂壁、および底壁を有するコーティングチャンバを含む。周囲チャンバ壁、頂壁、および底壁は、コーティングキャビティおよびチャンバ中心を規定する。プラズマ源は、チャンバの中央に配置され、プラズマ源は、中央陰極ロッドを含む。コーティングシステムは、複数のコーティングすべき基板を保持するサンプルホルダも含む。サンプルホルダは、チャンバ中心から第１の距離でチャンバ中心の周りを回転可能である。第１の負に帯電した分離シールドは、チャンバ中心から第２の距離でチャンバ中心の周りに配置されている。第１の同軸磁気コイルは、コーティングチャンバの外側に配置され、第２の同軸磁気コイルは、コーティングチャンバの外側に配置される。

有利には、上記のコーティングシステムは、いくつかの異なる用途に使用することができる。一例では、コーティングシステムは、中央陰極ロッドと、周囲チャンバ壁によって配置された遠隔陽極との間に確立された遠隔アーク放電による金属ガス状プラズマの電離と、分離シールドの内側で発生する中空陰極プラズマによってさらに強化される金属ガス状プラズマの電離の両方を伴うプラズマ強化マグネトロンスパッタリングに適合できる。別の用途では、コーティングシステムは、単独で、または分離シールド内で発生する高密度化された中空陰極プラズマによって強化されるマグネトロンスパッタリングと組み合わせて、陰極アークプラズマ蒸着に適合させることができる。別の用途では、コーティングシステムは、金属メッシュの負に帯電した容器内で発生する中空陰極ガス状プラズマ内のイオン洗浄およびイオン表面調整に適合させることができる。

さらに別の用途では、コーティングシステムは、プラズマ強化マグネトロンスパッタリング（プラズマ強化マグネトロンスパッタリング、ＰＥＭＳ）に適合させることができる。

少なくとも１つの分離シールドを含むコーティングシステムの概略断面図および上面図。少なくとも１つの分離シールドを含むコーティングシステムの概略断面図および側面図。図２Ａの図に垂直な少なくとも１つの分離シールドを含むコーティングシステムの概略断面図および側面図。少なくとも１つの分離シールドと複数の陰極ロッドとを含むコーティングシステムの概略断面図および上面図。少なくとも１つの分離シールドと複数の陰極ロッドとを含むコーティングシステムの概略断面図および側面図。図２Ａの図に垂直な少なくとも１つの分離シールドを含むコーティングシステムの概略断面図および側面図。スパッタリング中の複数の陰極ロッドの動作を示す概略図。外部磁気コイルを有するコーティングシステムの概略断面図および上面図。平行ロッドから形成された分離シールドの側面図。平行ロッドから形成された分離シールドの側面図。

ここで、発明者らに現在知られている本発明を実施する最良の形態を構成する、本発明の現在好ましい組成物、実施形態、および方法について詳細に言及する。図は必ずしも縮尺通りではない。しかしながら、開示された実施形態は本発明の単なる例示であり、それは種々のそして代替の形態で具体化され得ることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示された特定の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に本発明の任意の態様の代表的な根拠として、および／または当業者に本発明を様々に使用することを教えるための代表的な根拠として解釈される。

特定の構成要素および／または条件はもちろん変化し得るので、本発明は以下に記載される特定の実施形態および方法に限定されないこともまた理解されるべきである。さらに、本明細書で使用される用語は、本発明の特定の実施形態を説明する目的でのみ使用されており、決して限定することを意図していない。

明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないと示さない限り、複数の指示対象を含むことにも留意されたい。例えば、単数形の構成要素への言及は、複数の構成要素を含むことを意図している。

「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、または「によって特徴付けられる（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙ）」と同義語である。これらの用語は包括的かつオープンエンドであり、列挙されていない追加の要素または方法ステップを排除するもの
ではない。

「からなる」という語句は、請求項に特定されていない任意の要素、ステップ、または成分を除外する。この語句が前文の直後に続くのではなく、請求項の本文の文節に現れるときは、それはその文節で述べられている要素だけを限定し、他の要素は全体として請求項から除外されない。

「から本質的になる」という語句は、特許請求の範囲を特定の材料またはステップ、ならびに特許請求される主題の基本的および新規の特徴に実質的に影響を及ぼさないものに限定する。

用語「含む」、「からなる」、および「から本質的になる」に関して、これらの３つの用語のうちの１つが本明細書で使用されるが、本開示および特許請求の主題は他の２つの用語のいずれかの使用を含み得る。

本出願を通して、刊行物が参照される場合、これらの刊行物の開示全体がこれによって参照により本明細書に組み込まれ、本発明が属する最新技術をより完全に説明する。

図１〜図５を参照すると、中心陰極の周りに分布した複数の陰極ロッドを有するコーティングシステムの概略図が提供されている。コーティングシステム１０は、中央コーティングキャビティ１４を画定するコーティングチャンバ１２を含む。改良形態では、コーティングチャンバ１２は、周囲チャンバ壁１６、頂壁１８、および底壁２０を含む。この文脈において、「頂」および「底」は、コーティングチャンバがその設計位置、すなわち基板をコーティングするために使用されるべき向きに配置されているときの相対位置を指す。チャンバ中心２２は、周囲壁１６に対してチャンバのほぼ中心にある位置である。さらなる改良形態では、周囲チャンバ壁１６は、円形の断面を有する円筒形である。周囲壁１６は、頂縁部２４と底縁部２６とを含む。頂壁１８は頂縁部２４に隣接し、底壁２０は底縁部２６に隣接する。改良形態では、頂壁１８は、周囲チャンバ壁の頂縁部２４に位置する頂部フランジであり、底壁２０は、周囲チャンバ壁の底縁部２６に位置する底部フランジである。プラズマ源３０は、チャンバ中心に配置されている。サンプルホルダ３２は、複数のコーティングすべき基板３４を保持する。サンプルホルダ３２は、チャンバ中心から第１の距離ｄ_１でチャンバ中心の周りに方向ｆ_１に沿って回転可能である。

第１の分離シールド４０は、チャンバ中心から第２の距離ｄ_２でチャンバ中心の周りに配置されている。典型的には、第２の距離ｄ_２は、第１の距離よりも大きい。あるいはまた、第２の距離は、第１の距離よりも小さい。第１の分離シールド４０は、通常負に帯電される。この目的のために、システム１０は、正端子４４と、第１の分離シールド４０に接続されるか、またはＲＦ電源４７に接続される（この場合、負の自己分極電位が中空陰極容器内側にＲＦ中空陰極効果を生じさせる）負端子４６とを有するＤＣ電源４２を含む。真空システム４８は、コーティングチャンバ１２と流体連通しており、コーティング堆積中に真空を維持するために使用される。コーティングシステムの稼働中の典型的な真空は、約０．５ミリトール〜約１００ミリトールである。以下により詳細に説明される変形形態では、遠隔陽極５８は、第１の分離シールド４０によって確立された容器から離れて移動されるチャンバ中心から第３の距離ｄ_３に配置される。

第１の分離シールド４０は、中心に位置する金属蒸気プラズマ源と基板３４の両方を囲む中空陰極容器を確立することができる。それは、分離シールドを有さないシステムと比較して、コーティング蒸着プロセスの全段階（（ｉ）中空陰極容器内で発生する中空陰極ガス状プラズマ内のイオン洗浄およびイオン表面調整段階、（ｉｉ）中空陰極容器によって生成される中空陰極プラズマ雲内にマグネトロンスパッタリングが提供される場合のプラズマ支援マグネトロンスパッタリング（ＰＥＭＳ）モード、（ｉｉｉ）陰極アーク源の円筒形陰極と、チャンバ壁によって配置された遠隔陽極との間に確立された遠隔アーク放電による金属ガス状プラズマの電離と、コーティング蒸着領域内の中央に配置されたプラズマ源と基板３４の両方を囲む負に帯電した金属容器の内側で発生する中空陰極プラズマによってさらに強化される金属ガス状プラズマの電離の両方を伴うプラズマ強化マグネトロンスパッタリング、（ｉｖ）陰極アークプラズマ蒸着モード単独、または負に帯電した中空陰極容器で発生する高密度中空陰極プラズマによって強化されるマグネトロンスパッタリングと組み合わせた陰極アークプラズマ蒸着モード）の間に、負に帯電した第１の分離シールドの内側の領域内の密度および電子温度ならびに高エネルギー電子の濃度を増加させることを可能にする。

一変形形態では、コーティングシステム１０は、第２の分離シールド５０をさらに含む。第２の分離シールド５０は、チャンバ中心から第１の距離ｄ_１より小さい第４の距離ｄ_４に配置される。さらなる一改良形態では、基板は、第２の分離シールド５０と同じ電位にバイアスされる。この目的のためにＤＣ電源５２を使用することができる。一改良形態では、第１の分離シールド４０および第２の分離シールド５０は、それぞれ独立に金属メッシュスクリーンである。典型的には、第１の分離シールド４０は、外側金属メッシュスクリーンであり、第２の分離シールド５０は、内側金属メッシュスクリーンである。典型的には、外側メッシュスクリーンおよび内側メッシュスクリーンは、それぞれ独立して１ｍｍ〜５０ｍｍの開口部を有する。一改良形態では、外側メッシュスクリーンおよび内側メッシュスクリーンは、それぞれ独立して５ｍｍ〜２０ｍｍの開口部を有する。ここで、コーティングすべき基板は、基板を周囲チャンバ壁から分離する第１の分離シールドと、基板を中央陰極ロッドから分離する第２の分離シールドとによって確立された容器内に入れられる。１ｍｍより小さい開口部は、プラズマが金属メッシュ壁を横切って流れるのを阻止することができ、一方、５０ｍｍより大きい開口部は、中空陰極効果による高密度プラズマの生成を軽減することができる。

第２の分離シールド５０が存在する場合、基板３４を周囲壁１６から分離する第１の分離シールド（例えば、外側メッシュスクリーン）と、基板３４を中央に配置されたプラズマ源から分離する第２の分離シールド５０との間に確立された負のＤＣパルス通電金属メッシュ容器に、基板３４は入れられる。基板を金属メッシュスクリーンに単に電気的に接続することによって基板を第１の分離シールド４０および／または第２の分離シールド５０と同じ電位にバイアスを掛けることができるか、あるいはまた、基板３４のバイアス電位を独立した基板バイアス電源（図示せず）によって提供され得る金属メッシュスクリーン容器の電位と異なるものにすることができる。

変形形態では、第１の分離シールド４０は、接地されたチャンバ壁から内側領域を完全に分離する必要はない。例えば、分離シールドを取り除いた状態で、容器の頂部および底部を完全にまたは部分的にチャンバに開放することができる。あるいはまた、第１の分離シールド４０および／または第２の分離シールド５０は、部分的に開口部なしで金属シートから製造することができる。例えば、金属メッシュ容器の頂部壁および底部壁は、開口部のない金属シートから作製することができ、またはチャンバ壁に開口することができる。

図６Ａおよび図６Ｂに示す別の一改良形態では、第１の分離シールド４０および第２の分離シールド５０の一方または両方は、典型的には１ｍｍ〜５０ｍｍの隣接ロッド５４間の距離ｄ_ｒを有する複数の平行ロッドを含む。クロスバー５６を用いてロッド５４をチャンバ中心２２の周りに保持することができる。

上述のように、コーティングシステム１０は、チャンバ中心から第１の距離ｄ_１および第２の距離ｄ_２よりも大きい第４の距離ｄ_４に配置することができる遠隔陽極５８をさらに含むことができる。一改良形態では、システム１０は、周囲壁１６に沿って分布された１つ以上の追加の遠隔陽極５４をさらに含む。周囲壁１６は、遠隔陽極の位置のための凹部６０をオプションで含むことができる。遠隔陽極の存在は、特許文献１に記載されているように、コーティングシステムを遠隔アーク援用マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ）モードで操作することを可能に、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、プラズマ源３０は、中央陰極ロッド６０と、中央陰極ロッド６０を取り囲む中央コイル６２とを含むことができる。中央コイル６２は、陰極ロッド６０の周りに同軸に取り付けられている。陰極ロッド６０は電源６４によって電力供給され、一方、中央コイル６２は電源６６によって電力供給される。制御システム６８は、陰極ロッド６０および中央コイル６２を流れる電流を制御するために使用することができる。典型的には、流れる電流は、約１０〜１２０ＶのＡＣ電圧で５０〜２０００Ａである。

図３、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃを参照すると、複数の補助陰極スパッタリングロッドを含むコーティングシステムの概略図が提供されている。これらのロッドは、マグネトロンスパッタリング用のマグネトロンとして有利に使用することができる。この変形形態では、コーティングシステム１０は、中央陰極ロッドと中央コイルとを囲む複数の陰極ロッド７２、７４、７６および７８を含む。改良形態では、複数の陰極ロッドは、周囲チャンバ壁と平行に整列した長手方向軸線ａ_１を有する偶数（例えば、２、４、６、８など）のロッド形状の陰極を含む。図３は、４本の補助陰極ロッドがある状況を示している。典型的には、複数の陰極ロッドのうちの各陰極ロッドは、長手方向軸線ａ_２を中心に回転可能である。隣接するロッドは、同じ方向または反対方向（すなわち、時計回りまたは反時計回り）に回転させることができる。一改良形態では、複数のブロッキングシールド８２、８４は、ブロッキングシールドが、複数の陰極ロッド内の交互になった対の陰極ロッド間に配置されるようになっている。

図４Ｃに示すように、電流は円筒形マグネトロン源の軸に沿って伝導することができ、各隣接する対の陰極ロッドに沿った電流は反対方向Ｉ_１およびＩ_２に向けられる。この場合、集束磁場はマグネトロンの軸に沿って流れる直線電流によって発生し、この磁場の磁力線は、プラズマ源装置から離れてコーティングチャンバ内のコーティングすべき基板に向かって遮蔽シールド８２、８４を貫通して金属蒸気アークプラズマを集束させるプラズマ源の軸に垂直な平面内にある。このコーティング蒸着において、ブロッキングシールド８２、８４は、マグネトロンスパッタリング源に沿って伝導される直線電流によって発生する磁力線に沿って配置されることが好ましく、それは正に帯電したイオンをバッフルと陰極アーク源との間の領域からコーティングチャンバの蒸着領域内のコーティングすべき基板に向かって離れるように追いやる。

図５を参照すると、外部同軸磁気コイルを有するコーティングシステムの概略図が提供される。この変形形態では、図２Ａおよび図２Ｂに示すコーティングチャンバ１２のキャビティ内に配置されている中央コイル６２は存在しない。その代わりに、同軸磁気コイルが、コーティングチャンバ１２の外部であるが周囲壁１６に近接して配置されている。例えば、図５は、コーティングチャンバの外部の第１の壁に近接して配置された第１の同軸磁気コイル９０およびコーティングチャンバの外側の第２の壁に近接して配置された第２の同軸磁気コイル９２を示す。

以下の実施例は、本発明の様々な実施形態を例示する。当業者は、本発明の趣旨および特許請求の範囲内にある多くの変形形態を認識するであろう。

実施例１ＴｉＮコーティングのＲＡＡＭＳ蒸着。
４つの円筒形マグネトロンおよび中央に配置された円筒形陰極アーク源を備えた図１に示されるコーティングシステムが、このコーティング蒸着プロセスに使用される。マグネトロンと陰極アーク源の両方は、チタンターゲットを備える。イオンクリーニングの初期段階では、プラズマ生成ガスとしてのアルゴンが、１〜１０ｍＴｏｒｒの範囲のガス圧まで真空チャンバ内に導入される。一次アーク放電は、陰極アークターゲットの表面とマグネトロン源の間に配置された接地シールドとの間の機械的トリガによって点火される。次いで、遠隔アーク放電は、円筒形陰極ターゲットと真空コーティング蒸着チャンバの壁によって配置された遠隔陽極との間で点火される。一次アークの電流は１４０Ａに設定され、一方、その電圧は約２５Ｖ〜約３０Ｖの範囲内で振動している。遠隔アークの電流は４００Ａに設定され、一方、その電圧は約６０Ｖ〜約８０Ｖの範囲内で振動している。遠隔アークの電流は陰極ターゲットからシェブロンシールドを通り抜けて伝播し、これは真空アークプラズマの重い成分（金属イオン、原子、およびマクロ粒子）に対して透過性はないが、遠隔アーク放電の電子流は円筒形陰極ターゲットからコーティングチャンバ壁によって配置された遠隔陽極に向かって移動させることができる。コーティングすべき基板は、回転テーブル上に載せられ、それにより、それらは、コーティングチャンバの中心の周りに、そして同時にそれら自身の軸の周りに回転することが可能になる。−３００Ｖのバイアス電圧が、コーティングすべき基板を有する回転テーブルに印加される。イオン洗浄段階を３０分間続け、続いて遠隔アーク援用マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ）蒸着段階を行う。蒸着段階の開始時に、窒素をチャンバに添加して、２〜５ミリトールの範囲の圧力で約３０％がＮ_２／残りがアルゴンの混合物を作る。マグネトロンは、マグネトロンスパッタリングターゲットの約５Ｗ／ｃｍ^２の電力密度を有するマグネトロン電源によってオンにされる。ＴｉＮコーティング蒸着段階中の基板バイアスは１００Ｖに低減される。５μｍ厚ＴｉＮコーティングの蒸着のために、ＴｉＮコーティングの蒸着は３時間続く。

実施例２ＴｉＮ／ＤＬＣ２‐セグメントコーティングのＲＡＡＭＳ蒸着
４つの円筒形マグネトロンおよび中央に配置された円筒形陰極アーク源を備えた図１に示されるコーティングシステムが、このコーティング蒸着プロセスに使用される。マグネトロンと陰極アーク源の両方は、チタンターゲットを備える。金属メッシュケージは、ケージと基板との等しい電位を維持するために、コーティングすべき基板を有する回転テーブルに電気的に接続されている。ケージおよび回転テーブルは、スイッチを介してＤＣバイアス電源および高電圧ＤＣパルス電源に接続されているので、これら２つの電源のいずれかは、コーティング蒸着プロセスの異なる段階でコーティングすべき基板を有する金属ケージおよび回転テーブルに接続することができる。イオン洗浄の初期段階では、プラズマ生成ガスとしてのアルゴンが、１〜１０ミリトールの範囲のガス圧まで真空チャンバ内に導入される。一次アーク放電は、陰極アークターゲットの表面とマグネトロン源の間に配置された接地シールドとの間の機械的トリガによって点火される。次いで、遠隔アーク放電は、円筒形陰極ターゲットと真空コーティング蒸着チャンバの壁によって配置された遠隔陽極との間で点火される。一次アークの電流は１４０Ａに設定され、一方、その電圧は約２５Ｖ〜約３０Ｖの範囲内で振動している。遠隔アークの電流は４００Ａに設定され、一方、その電圧は約６０Ｖ〜約８０Ｖの範囲内で振動している。遠隔アークの電流は陰極ターゲットからシェブロンシールドを通り抜けて伝播し、これは真空アークプラズマの重い成分（金属イオン、原子、およびマクロ粒子）に対して透過性はないが、遠隔アーク放電の電子流は円筒形陰極ターゲットからコーティングチャンバ壁によって配置された遠隔陽極に向かって移動させることができる。コーティングすべき基板は、回転テーブル上に載せられ、それにより、それらは、コーティングチャンバの中心の周りに、そして同時にそれら自身の軸の周りに回転することが可能になる。ＤＣパルス電源をケージから切り離し、ＤＣバイアス電源をケージに接続して、イオン洗浄段階中にコーティングすべき基板を有する回転テーブルに−３００ＶのＤＣバイアス電圧を印加する。イオン洗浄段階を３０分間続け、続いて遠隔アーク援用マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ）蒸着段階を行う。蒸着段階の開始時に、窒素をチャンバに添加して、２〜５ミリトールの範囲の圧力で約３０％がＮ_２／残りがアルゴンの混合物を作る。マグネトロンは、マグネトロンスパッタリングターゲットの約５Ｗ／ｃｍ^２の電力密度を有するマグネトロン電源によってオンにされる。ＴｉＮコーティング蒸着段階中の基板バイアスは１００ＶＤＣに低減される。１．５μｍ厚ＴｉＮコーティングセグメントの蒸着のために、ＴｉＮコーティングの蒸着は１時間続く。ＴｉＮコーティングセグメントの蒸着段階が完了した後、マグネトロンの電源を切り、反応性ガス雰囲気としてのアルゴン／窒素混合物をアセチレンと置換して全圧を１５ミリトールとする。ＤＣバイアス電源をケージから切り離し、ＤＣパルスバイアス電源をケージに接続すると同時に、コーティングすべき基板を有する回転テーブルに接続する。−５ｋＶの振幅および３０ｋＨｚの周波数を有する負のＤＣパルス電圧をケージおよび回転テーブルに印加して、頂部ＤＬＣコーティングセグメントの蒸着中に中空陰極強化高密度プラズマ雲を確立する。ＤＬＣセグメントの蒸着は４時間続き、その結果、厚さ５μｍのＤＬＣ頂部セグメント層を蒸着する。

実施例３ＴｉＳｉＮＣナノ複合材料コーティングのＲＡＡＭＳー陰極アークハイブリッド蒸着
４つの円筒形マグネトロンおよび中央に配置された円筒形陰極アーク源を備えた図１に示されるコーティングシステムが、このコーティング蒸着プロセスに使用される。マグネトロンと陰極アーク源の両方とも、例１と同じチタンターゲットを備えている。調節可能なベネチアンバッフルが、対向する２対のマグネトロンの２つのマグネトロン間に使用され、一方、マグネトロンの隣接する対のマグネトロン間には、図１に示すように固体金属シールドが設置される。イオン洗浄の初期段階では、プラズマ生成ガスとしてのアルゴンが、１〜１０ｍＴｏｒｒの範囲のガス圧まで真空チャンバ内に導入される。一次アーク放電は、陰極アークターゲットの表面とマグネトロン源の間に配置された接地シールドとの間の機械的トリガによって点火される。イオン洗浄の段階では、ベネチアンバッフルはわずかに開いており、中央に配置されたプラズマ源とチャンバ壁との間のコーティング蒸着領域内への陰極アークの重い成分の伝播を阻止しながら、円筒形陰極ターゲットとチャンバの壁によって配置された遠隔陽極との間に確立された遠隔アーク放電に沿ってベネチアンバッフルのアレイを通って電子流を自由に伝播させる。次いで、遠隔アーク放電は、円筒形陰極ターゲットと真空コーティング蒸着チャンバの壁によって配置された遠隔陽極との間で点火される。一次アークの電流は１４０Ａに設定され、一方、その電圧は約２５Ｖ〜約３０Ｖの範囲内で振動している。遠隔アークの電流は４００Ａに設定され、一方、その電圧は約６０Ｖ〜約８０Ｖの範囲内で振動している。コーティングすべき基板は、回転テーブル上に載せられ、それにより、それらは、コーティングチャンバ中心の周りに、そして同時にそれら自身の軸の周りに回転することが可能になる。−３００Ｖのバイアス電圧が、コーティングすべき基板を有する回転テーブルに印加され、同時に、高電圧ＤＣパルス電源がオフにされている間にオンにされるＤＣバイアス電源によって回転テーブルに電気的に接続された金属メッシュケージに印加される。イオン洗浄段階を３０分間続け、続いて遠隔アーク援用マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ）蒸着段階を行う。ＴｉＮＳｉＣナノ複合材料コーティング蒸着段階の開始時に、窒素およびトリメチルシラン（３ＭＳ）を処理チャンバ内のアルゴンに添加して、３０％がＮ_２／１０％が３ＭＳ／残りがアルゴンの組成の反応性ガス混合物を、２〜５ミリトールの範囲の圧力で作る。マグネトロンは、マグネトロンスパッタリングターゲットの約５Ｗ／ｃｍ^２の電力密度を有するマグネトロン電源によってオンにされる。ＤＣバイアス電源がオフにされ、一方、高電圧ＤＣパルス電源がオンにされ、３０ｋＨｚの繰り返し周波数で５ｋＶの負のパルスを印加するように設定される。約３００Ａの電流が円筒形マグネトロンに沿って伝導され、その方向は、図１５ｉおよび図１５ｋに示されるように、各隣接するマグネトロンにおいて反対方向に切り替えられ、これにより、図１５ｉおよび図１５ｋの矢印の磁力線で示されるように、隣接するマグネトロン間に集束磁場が提供される。ベネチアンバッフルのストリップの位置は、図１５ｋに示されるように、バッフルの表面が集束磁場に対してほぼ接線方向になるように調整され、ベネチアンバッフルアレイの隣接するストリップ間にプラズマ輸送通路を作る。マグネトロンスパッタリング金属原子の流れの方向と磁気集束陰極アーク金属蒸気プラズマの方向とを一致させて、ナノ複合材料ＴｉＮＳｉＣコーティングの蒸着の陰極アーク／マグネトロンハイブリッドプロセスを提供し、これは厚さ２０μｍのＴｉＮＳｉＣナノ複合材料コーティングの蒸着に対して５時間持続する。

例示的な実施形態が上述されているが、これらの実施形態は、本発明の全ての可能な形態を説明することを意図するものではない。むしろ、本明細書で使用されている単語は、限定ではなく説明の単語であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解される。さらに、様々な実施形態の構成を組み合わせて本発明のさらなる実施形態を形成することができる。

Claims

周囲チャンバ壁、頂壁および底壁を有するコーティングチャンバであって、前記周囲チャンバ壁は、チャンバ中心を規定する、前記コーティングチャンバと、
前記チャンバ中心に配置されるプラズマ源と、
複数のコーティングすべき基板を保持し、前記チャンバ中心から第１の距離で前記チャンバ中心の周りを回転できるようになっているサンプルホルダと、
前記チャンバ中心から第２の距離で前記チャンバ中心の周りに配置され、負に帯電している第１の分離シールドと
を備えるコーティングシステム。
前記チャンバ中心から第３の距離に配置される少なくとも１つの遠隔陽極をさらに備え、該第３の距離は、前記第１の距離および前記第２の距離よりも大きい、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記第１の分離シールドは金属メッシュスクリーンである、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記第２の距離は前記第１の距離よりも大きい、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記チャンバ中心から第４の距離に配置される第２の分離シールドをさらに備え、該第４の距離は前記第１の距離よりも小さい、請求項４に記載のコーティングシステム。
前記第１の分離シールドが外側金属メッシュスクリーンであり、前記第２の分離シールドが内側金属メッシュスクリーンである、請求項５に記載のコーティングシステム。
前記基板は、前記内側金属メッシュスクリーンと同じ電位にバイアスされている、請求項６に記載のコーティングシステム。
前記外側金属メッシュスクリーンおよび前記内側金属メッシュスクリーンは、それぞれ独立して１ｍｍ〜５０ｍｍの開口部を有する、請求項６に記載のコーティングシステム。
前記外側メッシュスクリーンおよび前記内側メッシュスクリーンは、それぞれ独立して１ｍｍ〜５０ｍｍの開口部を有する、請求項６に記載のコーティングシステム。
コーティングすべき基板は、該基板を前記周囲チャンバ壁から分離する前記第１の分離シールドと、前記基板を中央陰極ロッドから分離する前記第２の分離シールドとによって確立された容器に収容される、請求項６のコーティングシステム。
前記第２の距離は前記第１の距離よりも小さい、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記プラズマ源は、中央陰極ロッドと、前記中央陰極ロッドを囲む中央コイルとを備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
複数の陰極ロッドが、前記中央陰極ロッドおよび前記中央コイルを囲む、請求項１２に記載のコーティングシステム。
前記複数の陰極ロッドは、前記周囲チャンバ壁と平行に整列した長手方向軸線を有する偶数のロッド形状の陰極を含む、請求項１３に記載のコーティングシステム。
前記複数の陰極ロッドの各陰極ロッドは、前記長手方向軸線を中心に回転できるようになっている、請求項１４に記載のコーティングシステム。
複数のブロッキングシールドをさらに備え、該ブロッキングシールドが前記複数の陰極ロッド内の交互に配置された陰極ロッド対の間に配置される、請求項１５に記載のコーティングシステム。
金属メッシュの負に帯電した容器内で発生する中空陰極ガス状プラズマ内のイオン洗浄およびイオン表面調整に適合される、請求項１に記載のコーティングシステム。
プラズマ支援マグネトロンスパッタリング（ＰＥＭＳ）に適合される、請求項１に記載のコーティングシステム。
中央陰極ロッドと周囲チャンバ壁によって配置された遠隔陽極との間に確立された遠隔アーク放電による金属ガス状プラズマの電離と、分離シールドの内側で発生する中空陰極プラズマによってさらに強化される金属ガス状プラズマの電離の両方を伴うプラズマ強化マグネトロンスパッタリングに適合される、請求項２記載のコーティングシステム。
陰極アークプラズマ蒸着単独に、または前記第１の分離シールド内で発生する高密度化された中空陰極プラズマによって強化されるマグネトロンスパッタリングと組み合わせた陰極アークプラズマ蒸着に適合される、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記第１の分離シールドは、隣接するロッド間の距離が１ｍｍ〜５０ｍｍの複数の平行なロッドを備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記第１の分離シールドを有さないシステムと比較して、前記第１の分離シールドは、コーティング蒸着プロセスの全段階の間に前記第１の分離シールドの内側の領域内の密度および電子温度ならびに高エネルギー電子の濃度を増加させるようになっている、請求項１に記載のコーティングシステム。
正端子および負端子を有するＤＣ電源をさらに備え、該負端子は前記第１の分離シールドに接続される、請求項１に記載のコーティングシステム。
前記コーティングチャンバの外部に配置される第１の同軸磁気コイルと、前記コーティングチャンバの外部の第２の同軸磁気コイルとをさらに備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
周囲チャンバ壁、頂壁および底壁を有するコーティングチャンバであって、前記周囲チャンバ壁は、チャンバ中心を規定するコーティングチャンバと、
前記チャンバ中心に配置され、中央陰極ロッドを備えるプラズマ源と、
複数のコーティングすべき基板を保持し、前記チャンバ中心から第１の距離で前記チャンバ中心の周りを回転できるようになっているサンプルホルダと、
前記チャンバ中心から第２の距離で前記チャンバ中心の周りに配置され、負に帯電している第１の分離シールドと、
前記コーティングチャンバの外部に配置された第１の同軸磁気コイルおよび前記コーティングチャンバの外部に配置された第２の同軸磁気コイルと
を備えるコーティングシステム。
前記第１の同軸磁気コイルは、前記周囲チャンバ壁に近接して配置され、前記第２の同軸磁気コイルは、前記周囲チャンバ壁に近接して配置される、請求項２５に記載のコーティングシステム。
前記チャンバ中心から第３の距離に配置された少なくとも１つの遠隔陽極をさらに備え、該第３の距離は、前記第１の距離および前記第２の距離よりも大きい、請求項２５に記載のコーティングシステム。
前記第１の分離シールドは金属メッシュスクリーンである、請求項２５に記載のコーティングシステム。
前記第２の距離は前記第１の距離よりも大きい、請求項２５に記載のコーティングシステム。
前記チャンバ中心から第４の距離に配置される第２の分離シールドをさらに備え、該第４の距離は前記第１の距離よりも小さい、請求項２９に記載のコーティングシステム。
前記第１の分離シールドが外側金属メッシュスクリーンであり、前記第２の分離シールドが内側金属メッシュスクリーンである、請求項３０に記載のコーティングシステム。